KR101586223B1 - 전압강하 보상 장치 - Google Patents

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KR101586223B1
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김주락
창상훈
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한국철도기술연구원
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60M—POWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M3/00—Feeding power to supply lines in contact with collector on vehicles; Arrangements for consuming regenerative power
    • B60M3/02—Feeding power to supply lines in contact with collector on vehicles; Arrangements for consuming regenerative power with means for maintaining voltage within a predetermined range
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering

Abstract

본 발명은 연료전지 구동차량에 설치되어 연료전지를 통해 생산된 전력을 전력 모듈로부터 철도 운영을 위한 급전시스템의 부하로 공급하는 전력 공급부 및 기 설정된 전력 운영 스케쥴에 따라, 전력 공급부를 통해 전력을 급전시스템의 부하로 공급하여 급전시스템의 전압강하를 보상하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전압강하 보상 장치{APPARATUS FOR COMPENSATING VOLTAGE DROP}
본 발명은 전압강하 보상 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 구동차량으로부터 공급되는 전원으로 철도시스템의 전압강하를 보상하는 전압강하 보상 장치에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량의 견인에너지 공급을 위한 급전시스템은 단방향 공급구조를 가지고 있어 전압강하 특성이 급전시스템의 용량 및 성능을 나타내는 대표적인 특성이 될 수 있다.
최근 들어, 철도에 대한 수요 증가 또는 열차 계획의 변경으로 인해, 급전시스템의 부하가 변화하고 있다. 특히, 급전시스템의 부하가 급전시스템의 공급용량을 초과하게 되면 전압강하가 발생하게 되는데, 이 경우 열차 운행이 불가능할 수도 있다.
이에, 안정적인 급전시스템의 운영을 위해서 변전소 용량을 증설하거나 또는 별도의 전압강하 보상설비를 설치하여야 한다.
종래의 전압강하 보상설비들은 수동 필터 형태, 및 에너지 저장장치나 분산전원 등의 능동형 설비로 구분되는데, 용량과 설치 위치가 고정형인 고정설비 형태로 설계되고 있다.
그러나, 전압강하 보상설비가 고정형으로 설계될 경우에는, 급전시스템의 조건 변경에 대한 능동적인 대처가 불가능한 문제점이 있었다.
즉, 종래의 급전시스템은 용량이 부족하거나 설치 위치에 대한 변경이 필요할 때 능동적으로 대처하기가 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0124747호(2013.11.15)에 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로써, 본 발명의 목적은 연료전지 구동차량으로부터 공급되는 전원으로 철도시스템의 전압강하를 보상하는 전압강하 보상 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 급전시스템의 전압강하가 예측될 경우, 해당 전압강하 구간으로 연료전지 구동차량을 이동시켜 연료전지를 통해 생산된 전력을 급전시스템의 분산전원으로 이용할 수 있도록 함으로써, 급전시스템의 전압강하를 신속하게 보상할 수 있도록 한 전압강하 보상 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료전지 구동차량으로 급전시스템의 전압강하를 보상하여 급전시스템을 안정화시키고 전력 품질을 확보할 수 있도록 하며 전력 품질에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 하는 전압강하 보상 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전압강하 보상 장치는 연료전지 구동차량에 설치되어 연료전지를 통해 생산된 전력을 전력 모듈로부터 철도 운영을 위한 급전시스템의 부하로 공급하는 전력 공급부; 및 기 설정된 전력 운영 스케쥴에 따라, 상기 전력 공급부를 통해 전력을 상기 급전시스템의 부하로 공급하여 상기 급전시스템의 전압강하를 보상하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 급전시스템의 부하는 전차선로를 통해 전력을 공급받아 운행하는 철도차량 및 역사설비 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 전력 공급부는 상기 전력 모듈에 저장된 전력을 상기 급전시스템과 연계시키는 계통 연계부; 및 상기 전력 모듈에 저장된 전력을 상기 계통 연계부 및 상기 연료전지 구동차량을 이동시키는 견인 구동부 중 어느 하나로 공급하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 계통 연계부는 상기 연료전지 구동차량의 판토그라프와 연결되어 상기 판토그라프와 전차선로를 통해 전력을 상기 급전시스템의 부하로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 전력 운영 스케쥴은 상기 급전시스템으로부터 공급된 전력으로 운행하는 철도차량의 운행시간 및 운행횟수에 따라 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 전력 운영 스케쥴은 상기 연료전지 구동차량의 전압보상 위치, 전압보상 시간 및 전압보상 용량 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전압강하 보상 장치는 철도 전력 정보에 따라 부하로 전력을 공급하는 급전시스템; 기 설정된 철도 운영 정보에 따라 철도를 운영하는 철도운영 서버; 연료전지를 통해 생산된 전력을 상기 급전시스템의 부하로 공급하는 연료전지 구동차량; 및 상기 급전시스템 및 상기 철도운영 서버의 철도 전력 정보 및 철도 운영 정보를 분석하여 철도 운영을 위한 전력 운영 스케쥴을 생성하고, 생성된 상기 전력 운영 스케쥴에 따라 상기 연료전지 구동차량을 제어하여 상기 급전시스템의 전압강하를 보상하는 제어 서버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 제어 서버는 상기 급전시스템과 상기 철도운영 서버의 철도 전력 정보 및 철도 운영 정보를 분석하여 철도 운영시 사용될 수 있는 전력소모량을 예측하고, 상기 전력소모량을 토대로 상기 급전시스템에 전압강하가 발생될 수 있는지 여부를 판단하여 상기 급전시스템에 전압강하가 발생될 것으로 판단되면, 상기 연료전지 구동차량 각각에 대해 상기 전력 운영 스케쥴을 생성하는 분석부; 및 상기 분석부에 의해 생성된 상기 전력 운영 스케쥴을 상기 연료전지 구동차량 각각으로 전달하는 운영부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 연료전지 구동차량은 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 생산된 전력을 철도 운영을 위한 급전시스템의 부하로 공급하는 전력 공급부; 및 상기 전력 운영 스케쥴에 따라, 상기 전력 공급부를 통해 전력을 상기 급전시스템의 부하로 공급하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 급전시스템의 부하는 전차선로를 통해 전력을 공급받아 운행하는 철도차량 및 역사설비 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 전력 공급부는 상기 전력 모듈에 저장된 전력을 상기 급전시스템과 연계시키는 계통 연계부; 및 상기 전력 모듈에 저장된 전력을 상기 계통 연계부 및 상기 연료전지 구동차량을 구동시키는 견인 구동부 중 어느 하나로 공급하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 계통 연계부는 상기 연료전지 구동차량의 판토그라프와 연결되어 상기 판토그라프와 전차선로를 통해 전력을 상기 급전시스템의 부하로 공급하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 전력 운영 스케쥴은 상기 급전시스템으로부터 공급된 전력으로 운행하는 철도차량 배차 및 주행 정보에 따라 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 전력 운영 스케쥴은 상기 연료전지 구동차량의 전압보상 위치, 전압보상 시간 및 전압보상 용량 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 연료전지 구동차량으로부터 공급되는 전원으로 철도시스템의 전압강하를 보상한다.
본 발명은 급전시스템의 전압강하가 예측될 경우, 해당 전압강하 구간으로 연료전지 구동차량을 이동시켜 연료전지를 통해 생산된 전력을 급전시스템의 분산전원으로 이용할 수 있도록 하고, 급전시스템의 전압강하를 신속하게 보상할 수 있다.
본 발명은 연료전지 구동차량으로 급전시스템의 전압강하를 보상하여 급전시스템을 안정화시키고 전력 품질을 확보할 수 있도록 하며 전력 품질에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 한다.
도 1 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압강하 보상 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 구동차량의 블럭 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 구동차량이 구분소 부근에서 급전시스템과 연계된 예를 나타낸 도면이다.
도 4 는 도 3 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 개소별 전압을 나타낸 도면이다.
도 5 는 도 3 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 상선 철도차량의 전압을 나타낸 도면이다.
도 6 은 도 3 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 하선 철도차량의 전압을 나타낸 도면이다.
도 7 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 구동차량이 변전소 부근에서 급전시스템과 연계된 예를 나타낸 도면이다.
도 8 은 도 7 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 개소별 전압을 나타낸 도면이다.
도 9 는 도 7 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 상선 철도차량의 전압을 나타낸 도면이다.
도 10 은 도 7 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 하선 철도차량의 전압을 나타낸 도면이다.
도 11 은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전압강하 보상 장치의 블럭 구성도이다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전압강하 보상 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다.
도 1 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압강하 보상 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 구동차량의 블럭 구성도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압강하 보상 장치는 철도 운영을 위한 전력을 공급하는 급전시스템(110)(도 11 참조) 예를 들어 변전소(10)로부터 철도차량(20)에 전력이 공급될 경우, 급전시스템(110)의 부하 변동으로 인해 발생되는 급전시스템(110)의 전압강하를 보상한다.
통상적으로, 철도차량(20)은 변전소(10)로부터 전차선로(50) 및 판토그라프(40)를 통해 공급되는 전력을 이용하여 일반선로(30)를 따라 운행되는데, 철도차량(20)에 의해 사용되는 전력은 철도차량(20)의 운행시간이나 운행횟수 등에 따라 실시간으로 변화된다. 예를 들어, 철도차량(20)에 의해 사용되는 전력은 철도차량(20)의 운행시간과 운행횟수가 증가할수록 증가하게 된다. 이 경우, 급전시스템(110)에는 전압강하가 발생하게 되고, 급전시스템(110)의 전압강하는 철도차량(20)의 운행 등에 심각한 영향을 끼치고, 철도 운영에 치명적인 결과로 이어진다.
이에, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압강하 보상 장치는 급전시스템(110)의 각 부하로 전력을 공급하여 급전시스템(110)의 전압강하를 보상한다. 이러한 본 발명의 제1 실시예에 따른 전압강하 보상 장치는 연료전지 구동차량(60)을 포함한다.
연료전지 구동차량(60)은 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지를 생산하고, 생산된 전기 에너지를 철도 운영을 위한 급전시스템(110)의 부하로 공급한다. 급전시스템(110)의 부하로는 철도차량(20)이나 역사설비(미도시) 등이 포함될 수 있다.
일반적으로, 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 연료전지의 발전효율은 40~60% 정도로 상대적으로 매우 높으며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 변환시킬 수 있다. 또한 연료전지는 천연 가스와 메탄올, LPG(액화석유가스,propane gas), 나프타, 등유, 가스화된 석탄 등의 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지 자원을 확보하기 쉽고, 연료를 태우지 않기 때문에 지구 환경보호에도 기여할 수 있다. 게다가, 연료전지는 질소산화물(NOx)과 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전의 각각 1/38과 1/3정도이며, 소음도 화력발전 방식에 비해 매우 적다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인해, 연료전지는 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 더 나아가서는 무공해 자동차의 전원 등에 적용되고 있다.
연료전지 구동차량(60)은 상기한 연료전지를 철도차량(20)에 적용한 것으로써, 독립 전원 방식으로 보조선로(80), 예를 들어 유치선이나 대피선 등으로의 이동이 가능하다. 그 결과, 연료전지 구동차량(60)은 전차선로(50)의 전압강하 발생 구간으로 이동하여 급전시스템(110)의 전압강하를 보상한다.
도 2 를 참조하면, 연료전지 구동차량(60)은 전력 모듈(61), 전력 공급부(62), 견인 구동부(63) 및 제어부(64)를 포함한다.
전력 모듈(61)은 연료전지로 전기 에너지를 생산하는 것으로써, 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기 에너지를 생산하고, 생산된 전기 에너지를 저장한다. 전력 모듈(61)은 전력 생산부(611) 및 충전부(612)를 포함한다.
전력 생산부(611)는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기 에너지를 생산한다. 여기서, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생산하는 방식은 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
충전부(612)는 전력 생산부(611)에 의해 생산된 전기 에너지를 충전한다. 충전부(612)는 서로 병렬 연결되어 기 설정된 용량의 전기 에너지를 저장하는 복수 개의 배터리 팩(미도시)을 구비한다. 배터리 팩으로는 전기 이중층 커패시터 등이 채용될 수 있다.
견인 구동부(63)는 충전부(612)에 충전된 전력을 이용하여 연료전지 구동차량(60)을 전압보상 위치로 이동시키는데, 이 경우 보조선로(80), 예를 들어 유치선이나 대피선을 따라 이동시킨다. 이러한 견인 구동부(63)는 연료전지 구동차량(60)을 이동시키기 위한 바퀴와 모터 및 기어 등을 모두 포함할 수 있다.
전력 공급부(62)는 연료전지 구동차량(60)에 설치되어 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 생산된 전기 에너지를 철도 운영을 위한 급전시스템(110)의 부하로 공급한다. 이러한 전력 공급부(62)는 스위칭부(621) 및 계통 연계부(622)를 포함한다.
계통 연계부(622)는 전력 모듈(61)에 저장된 전기 에너지를 급전시스템(110)과 연계시킨다. 계통 연계부(622)는 급전시스템(110)과의 계통 연계를 위해, 전력 모듈(61)의 직류 전원을 교류 전원으로 변환시키며, 조류변동 조상 제어 또는 전압/주파수 안정화 제어를 통해 변전소 전압의 위상과 동기화시키는 등 급전시스템(110)과의 계통 연계를 위한 출력을 조정한다. 여기서, 계통 연계부(622)에는 신재생에너지 등으로부터 생산된 전력이 급전시스템(110)과 계통 연계될 경우 적용될 수 있는 다양한 분산 전원 연계 방식이 모두 적용될 수 있다.
이러한 계통 연계부(622)는 연료전지 구동차량의 판토그라프(70)와 연결되고, 이에 계통 연계부(622)를 통해 공급되는 전원은 판토그라프(70) 및 전차선로(50)를 통해 급전시스템(110)의 부하로 공급된다.
스위칭부(621)는 전력 모듈(61)의 충전부(612)로부터 공급된 전력을 상기한 계통 연계부(622)와 견인 구동부(63) 중 어느 하나로 공급한다.
이 경우, 스위칭부(621)가 계통 연계부(622)측으로 스위칭되면 충전부(612)로부터 공급되는 전력은 계통 연계부(622)를 통해 급전시스템(110)의 부하로 공급되어 급전시스템(110)의 전압강하를 보상하는데 이용되고, 스위칭부(621)가 견인 구동부(63)측으로 스위칭되면 충전부(612)로부터 공급되는 전력은 견인 구동부(63)로 공급되어 연료전지 구동차량(60)의 이동에 이용된다.
즉, 충전부(612)에 충전된 전원은 스위칭부(621)의 스위칭 동작에 따라, 급전시스템(110)의 부하로 공급되어 급전시스템(110)의 전압강하를 보상하거나 필요에 따라 연료전지 구동차량(60)의 이동에 이용될 수 있다.
제어부(64)는 기 설정된 전력 운영 스케쥴에 따라 전력 공급부(62)를 제어하여 전력 모듈(61)에 저장된 전력을 급전시스템(110)의 부하로 공급함으로써, 급전시스템(110)의 전압강하를 보상하고, 필요에 따라 연료전지 구동차량(60)의 이동에 이용한다.
여기서, 전력 운영 스케쥴은 연료전지 구동차량(60)에 저장된 전기 에너지를 이용하는 스케쥴 정보로써, 연료전지 구동차량(60)의 전압보상 위치, 전압보상 시간 및 전압보상 용량 중 어느 하나 이상이 포함될 수 있다. 또한, 전압보상 위치, 전압보상 시간 및 전압보상 용량 각각은 철도차량(20)의 운행시간이나 운행횟수 등에 따라 사전에 설정되며, 필요에 따라 갱신될 수 있다.
즉, 제어부(64)는 연료전지를 이용하여 전기 에너지를 충전시키고, 이 후 전력 운영 스케쥴에 따라 충전부(612)에 충전된 전기 에너지를 이용하여 급전시스템(110)의 전압강하를 보상한다.
예를 들어, 전력 운영 스케쥴을 토대로 급전시스템(110)의 전압강하를 보상하고자 할 때, 연료전지 구동차량(60)이 전압보상 위치로부터 먼 거리에 정차하고 있으면, 제어부(64)는 스위칭부(621)를 통해 충전부(612)의 전력을 견인 구동부(63)로 공급한다. 이를 통해 연료전지 구동차량(60)은 견인 구동부(63)의 구동에 의해 해당 전압보상 구간에 따른 적합한 전압보상 위치로 이동하게 된다. 여기서, 전압보상 위치는 전압보상 구간별로 사전에 설정되며, 해당 전압보상 구간에서의 전압강하를 보상할 수 있도록 연료전지 구동차량(60)의 계통 연계부(622)가 급전시스템(110)의 전력 계통과 연계될 수 있는 위치이다.
이후, 제어부(64)는 전압보상 시간 및 전압보상 용량에 따라 스위칭부(621)를 제어하여 충전부(612)의 전력을 계통 연계부(622)와 판토그라프(70) 및 전차선로(50)를 통해 해당 급전시스템(110)의 부하로 공급함으로써, 급전시스템(110)의 전압강하를 보상하게 된다.
여기서, 연료전지 구동차량(60)은 상기한 바와 같이, 그 이동성에 따라 급전시스템(110)의 전압강하가 발생될 수 있는 다양한 전압보상 위치로 이동할 수 있는 바, 연료전지 구동차량(60)이 구분소 및 변전소(10)에 각각 배치되어 급전시스템(110)의 전압강하를 보상할 경우, 그 시뮬레이션한 결과를 도 3 내지 도 10 을 참조하여 설명한다.
도 3 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 구동차량 구분소 부근에서 급전시스템과 연계된 예를 나타낸 도면이고, 도 4 는 도 3 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 개소별 전압을 나타낸 도면이며, 도 5 는 도 3 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 상선 철도차량의 전압을 나타낸 도면이며, 도 6 은 도 3 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 하선 철도차량의 전압을 나타낸 도면이다.
시뮬레이션은 연료전지 구동차량(60)을 전차선로(50)에 직접 투입하여 계통연계를 통하여 전압강하 보상에 이용하였을 때 그 효과를 검토하기 위해서 수행되었다.
시뮬레이션을 위해서는 급전시스템(110)의 모델링과 함께 연료전지 구동차량(60)의 모델링도 필요하다. 급전시스템(110)의 모델링은 이미 수행된 연구를 통하여 모델링이 되어 있다. 따라서, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 한편, 시뮬레이션을 위해서는 급전시스템(110)의 모델링과 함께 연료전지 구동차량(60)의 모델링도 필요하다.
연료전지 구동차량(60)은 급전시스템(110)과의 동기화를 통하여 동일한 주파수 및 동일한 수준의 전압으로 연계되어야 하기 때문에 다음과 같은 사항을 가정하여 일반 철도차량과 동일하게 모델링하였다. 먼저, 연료전지 구동차량(60)은 일정한 전압보상 용량의 전력이 출력되는 것으로 가정하고, 철도차량(20)과 동일하게 모델링하되 전력을 소모하는 것이 아닌 계통으로 방출하는 것으로 모델링하였다.
시뮬레이션 계통에 있어서, 연료전지 구동차량(60)의 전압강하 보상 효과를 검토하기 위한 시뮬레이션은 전압강하가 최대가 되는 조건인 연장급전 계통에서 수행하였다. 전철의 변전소(10) 고장으로 인한 연장급전이 발생하고 정상적인 차량 운행을 위하여 연장급전을 시행하게 되면 전압강하가 발생하게 된다. 이때, 연료전지 구동차량(60)이 연장급전 구간으로 진입하여 그 출력을 급전시스템(110)으로 송출하게 되면 전압강하 보상이 이루어지게 된다. 이때, 연료전지 구동차량(60)의 전압보상 위치는 전압강하 보상 효과가 가장 큰 곳에 위치하여야 하며, 연장급전을 시행하는 변전소(10)와 부하들의 위치에 따라 달라질 수 있다.
전술한 바와 같이 연료전지 구동차량(60)의 전압강하 보상은 계통연계를 통하여 이루어지는데, 연장급전계통에서 연료전지 구동차량(60)의 출력을 1MW∼5MW까지 변화시켜 가며, 전압강하 보상 효과의 변화를 계산하였으며, 전압보상 위치도 구분소와 고장 변전소(10) 등으로 변화시켜 가며 계산하였다.
도 3 은 구분소(SP)에서 전압강하가 발생하여 연료전지 구동차량(60)이 해당 구분소(SP)에 위치한 경우이다.
먼저, 도 3 에 도시된 바와 같이, 연료전지 구동차량(60)이 구분소(SP)에 위치하였을 경우 그 전압보상 용량을 1MW, 3MW 및 5MW로 변화시켜 가며 시뮬레이션 하였을 때 결과는 도 4 내지 도 6 과 같다.
도 4 는 개소별 전압이 도시되었다. 도 4 의 그래프를 참조하면, 연료전지 구동차량(60)이 전압강하를 보상함으로써 전압강하가 줄어들었음을 알 수 있다. 연료전지 구동차량(60)을 통해 전압강하를 보상하지 않을 경우에는 고장 구분소(SP)의 전압이 19.22[kV]였지만, 연료전지 구동차량(60)을 통해 전압강하를 보상하였을 경우에는 고장 구분소(SP)의 전압이 19.88[kV]로 상승하였음을 알 수 있다. 이때, 상선과 하선에 위치한 철도차량(20)들의 전압은 도 5 와 도 6 에 도시된 바와 같이, 그 거리가 가까울수록 증가됨을 알 수 있다. 즉, 철도차량(20)의 전압은 전압보상이 이루어지기 전의 것보다 높음을 알 수 있고, 이 경우 철도차량(20)의 전압은 각 보상용량에 비례함을 알 수 있다.
도 7 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 구동차량이 변전소 부근에서 급전시스템과 연계된 예를 나타낸 도면이고, 도 8 은 도 7 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 개소별 전압을 나타낸 도면이며, 도 9 는 도 7 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 상선 철도차량의 전압을 나타낸 도면이며, 도 10 은 도 7 의 계통 연계에 따른 시뮬레이션시 하선 철도차량의 전압을 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 10 은 연료전지 구동차량(60)이 구분소에 위치한 경우의 시뮬레이션 결과이다. 연료전지 구동차량(60)을 고장 전철변전소(10)로 이동하게 되면 연장급전구간의 최말단에서 전압강하 보상을 수행하는 것이 된다. 이렇게 전압강하가 가장 크게 발생하는 개소에서 보상을 하게 되면 구분소(SP)에서 하는 것보다 전압보상 효과가 크다.
도 8 내지 도 10 을 참조하면, 연료전지 구동차량(60)이 전압강하를 보상함으로써 급전시스템(110)의 전압강하가 줄어들었음을 알 수 있으며, 고장난 변전소(10)(S/S)의 전압은 보상 후 20.1[kV]까지 상승한 것을 알 수 있다. 게다가, 고장난 변전소(10)의 전압은 구분소에 위치하였을 때보다 0,22[kV] 상승하였다. 이때, 상선 및 하선에 위치한 철도차량(20)들의 전압은 도 9 및 도 10 에 도시된 바와 같이 그 거리가 가까울수록 증가됨을 알 수 있다. 즉, 철도차량(20)의 전압은 전압보상이 이루어지기 전의 것보다 높음을 알 수 있고, 이 경우 철도차량(20)의 전압은 각 보상용량에 비례함을 알 수 있다.
참고로, 전술한 실시예에서는 제어부(64)가 기 설정된 전력 운영 스케쥴을 따라 급전시스템(110)의 전압보상을 수행하는 것을 예시로 설명하였다.
이와 같이 전력 운영 스케쥴에 따라 급전시스템(110)의 전압강하를 보상하는 것은 철도차량(20)의 운행 및 이를 토대로 한 전력소모량이 사전에 설정되므로 전압강하가 발생될 수 있는 구간을 사전에 예측할 수 있기 때문이다.
또한, 전력 운영 스케쥴은 제어부(64)에 기 설정될 수 있으나, 전력 운영을 위한 제어 서버(130)에 설정되어 각각의 연료전지 구동차량(60)을 제어할 수도 있다. 더욱이 이 경우에는 급전시스템(110)의 전력소모량, 예를 들어 철도차량(20)의 전력소모량, 각 변전소(10)와 구분소의 고장 여부, 역사설비에서의 전력소모량, 주변 온도와 습도 등을 토대로 전력 운영 스케쥴이 실시간으로 변경 및 갱신될 수 있다. 이를 도 11 을 참조하여 설명한다.
도 11 은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전압강하 보상 장치의 블럭 구성도이다.
도 11 을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전압강하 보상 장치는 급전시스템(110), 철도운영 서버(120), 제어 서버(130) 및 연료전지 구동차량(60)을 포함한다.
급전시스템(110)은 철도 운영을 위한 전력을 철도차량(20)이나 역사설비 등에 제공하는 것으로써, 변전소(10)와 구분소 등을 포함하며, 변전소(10)와 구분소 각각으로부터 공급된 전력은 철도차량(20)의 운행이나 정지, 및 역사설비의 공조, 조명, 통신 등 다양하게 사용된다. 이에, 급전시스템(110)은 철도 운영을 위한 전력 공급시 그 철도 전력 정보를 통신망(140)을 통해 제어 서버(130)로 전달한다. 철도 전력 정보에는 철도차량(20)의 전력소모량, 변전소(10)와 구분소로부터 철도차량(20) 및 역사설비로 공급되는 전력공급량 등이 포함될 수 있다.
철도운영 서버(120)는 철도차량(20)의 운행을 통합적으로 제어하는 것으로써, 각 철도차량(20)별 운행시간이나 운행횟수, 각 역사에서의 정차시간 등과 같이 철도차량(20)의 운행을 총괄적으로 제어한다. 이에, 철도운영 서버(120)는 철도차량 운행시 그 철도 운영 정보를 통신망(140)을 통해 제어 서버(130)로 전달한다. 철도 운영 정보에는 철도차량(20)별 운행시간과 운행횟수 등이 포함될 수 있다.
통신망(140)에는 CDMA(Code Division Multiple Access) 기반의 2세대, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 기반의 3세대, LTE(Long Term Evolution)/WiBro 기반의 4세대 또는 그 이상의 세대를 지원하는 무선 환경, 인터넷 등의 IP(Internet Protocol) 기반 통신 기술을 지원하는 유선 환경 및 와이파이와 같은 근거리 무선 통신 환경이 모두 포함된다.
제어 서버(130)는 분석부(131) 및 운영부(132)를 포함한다.
분석부(131)는 급전시스템(110) 및 철도운영 서버(120)로부터 통신망을 통해 철도 전력 정보 및 철도 운영 정보를 각각 전달받고, 이들 철도 전력 정보 및 철도 운영 정보를 분석하여 급전시스템(110)의 전압강하 보상을 위한 전력 운영 스케쥴을 생성한다. 이 경우, 분석부(131)는 철도 운영 정보를 토대로 철도차량(20)별 운행시간과 운행횟수를 체크하고, 이때 사용될 수 있는 전력소모량을 전력 운영 정보를 토대로 예측하고, 그 예측 결과를 토대로 급전시스템(110)에 전압강하가 발생될 수 있는지 여부를 판단한다. 판단 결과, 급전시스템(110)에 전압강하가 발생될 것으로 판단되면, 분석부(131)는 급전시스템(110)의 전압강하를 방지할 수 있도록 각 연료전지 구동차량(60)에 대한 전력 운영 스케쥴을 생성한다. 이러한 전력 운영 스케쥴은 급전시스템(110)의 전압강하를 보상할 수 있도록 연료전지 구동차량(60)을 해당 전압보상 위치로 이동시키고 이 연료전지 구동차량(60)으로 전원을 공급하는 것이 해당된다.
운영부(132)는 분석부(131)에 의해 생성된 전력 운영 스케쥴을 연료전지 구동차량(60) 각각으로 전달한다.
연료전지 구동차량(60)은 상기한 운영부(132)로부터 전달받은 전력 운영 스케쥴에 따라 급전시스템(110)의 부하에 전력을 공급하여 해당 급전시스템(110)의 전압강하를 보상한다.
여기서, 연료전지 구동차량(60)이 전력 운영 스케쥴에 따라 급전시스템(110)의 부하에 전력을 공급하여 급전시스템(110)의 전압강하를 보상하는 것은 상기한 제1실시예와 동일하므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
이와 같은 본 실시예는 연료전지 구동차량으로부터 공급되는 전원으로 철도시스템의 전압강하를 보상한다.
또한 본 실시예는 급전시스템의 전압강하가 예측될 경우, 해당 전압강하 구간으로 연료전지 구동차량을 이동시켜 연료전지를 통해 생산된 전력을 급전시스템의 분산전원으로 이용할 수 있도록 하고, 급전시스템의 전압강하를 신속하게 보상할 수 있다.
또한 본 실시예는 연료전지 구동차량으로 급전시스템의 전압강하를 보상하여 급전시스템을 안정화시키고 전력 품질을 확보할 수 있도록 하며 전력 품질에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 변전소 20: 철도차량
30: 일반선로 40: 판토그라프
50: 전차선로 60: 연료전지 구동차량
61: 전력 모듈 611: 전력 생산부
612: 충전부 62: 전력 공급부
621: 스위칭부 622: 계통 연계부
63: 견인 구동부 64: 제어부
70: 판토그라프 80: 보조선로
110: 급전시스템 120: 철도운영 서버
130: 제어 서버 131: 분석부
132: 운영부

Claims (14)

  1. 연료전지 구동차량에 설치되어 연료전지를 통해 생산된 전력을 전력 모듈로부터 철도 운영을 위한 급전시스템의 부하로 공급하는 전력 공급부; 및
    기 설정된 전력 운영 스케쥴에 따라, 상기 전력 공급부를 통해 전력을 상기 급전시스템의 부하로 공급하여 상기 급전시스템의 전압강하를 보상하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력 공급부는
    상기 전력 모듈에 저장된 전력을 상기 급전시스템과 연계시키는 계통 연계부; 및
    상기 전력 모듈에 저장된 전력을 상기 계통 연계부 및 상기 연료전지 구동차량을 이동시키는 견인 구동부 중 어느 하나로 공급하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 급전시스템의 부하는 전차선로를 통해 전력을 공급받아 운행하는 철도차량 및 역사설비 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 계통 연계부는
    상기 연료전지 구동차량의 판토그라프와 연결되어 상기 판토그라프와 전차선로를 통해 전력을 상기 급전시스템의 부하로 공급하는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
  5. 연료전지 구동차량에 설치되어 연료전지를 통해 생산된 전력을 전력 모듈로부터 철도 운영을 위한 급전시스템의 부하로 공급하는 전력 공급부; 및
    기 설정된 전력 운영 스케쥴에 따라, 상기 전력 공급부를 통해 전력을 상기 급전시스템의 부하로 공급하여 상기 급전시스템의 전압강하를 보상하는 제어부를 포함하고,
    상기 전력 운영 스케쥴은 상기 급전시스템으로부터 공급된 전력으로 운행하는 철도차량의 운행시간 및 운행횟수에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전력 운영 스케쥴은
    상기 연료전지 구동차량의 전압보상 위치, 전압보상 시간 및 전압보상 용량 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
  7. 철도 전력 정보에 따라 부하로 전력을 공급하는 급전시스템;
    기 설정된 철도 운영 정보에 따라 철도를 운영하는 철도운영 서버;
    연료전지를 통해 생산된 전력을 상기 급전시스템의 부하로 공급하는 연료전지 구동차량; 및
    상기 급전시스템 및 상기 철도운영 서버의 철도 전력 정보 및 철도 운영 정보를 분석하여 철도 운영을 위한 전력 운영 스케쥴을 생성하고, 생성된 상기 전력 운영 스케쥴에 따라 상기 연료전지 구동차량을 제어하여 상기 급전시스템의 전압강하를 보상하는 제어 서버를 포함하는 전압강하 보상 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제어 서버는
    상기 급전시스템과 상기 철도운영 서버의 철도 전력 정보 및 철도 운영 정보를 분석하여 철도 운영시 사용될 수 있는 전력소모량을 예측하고, 상기 전력소모량을 토대로 상기 급전시스템에 전압강하가 발생될 수 있는지 여부를 판단하여 상기 급전시스템에 전압강하가 발생될 것으로 판단되면, 상기 연료전지 구동차량 각각에 대해 상기 전력 운영 스케쥴을 생성하는 분석부; 및
    상기 분석부에 의해 생성된 상기 전력 운영 스케쥴을 상기 연료전지 구동차량 각각으로 전달하는 운영부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 연료전지 구동차량은
    수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 생산된 전력을 철도 운영을 위한 급전시스템의 부하로 공급하는 전력 공급부; 및
    상기 전력 운영 스케쥴에 따라, 상기 전력 공급부를 통해 전력을 상기 급전시스템의 부하로 공급하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 급전시스템의 부하는 전차선로를 통해 전력을 공급받아 운행하는 철도차량 및 역사설비 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 전력 공급부는
    전력 모듈에 저장된 전력을 상기 급전시스템과 연계시키는 계통 연계부; 및
    상기 전력 모듈에 저장된 전력을 상기 계통 연계부 및 상기 연료전지 구동차량을 구동시키는 견인 구동부 중 어느 하나로 공급하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 계통 연계부는
    상기 연료전지 구동차량의 판토그라프와 연결되어 상기 판토그라프와 전차선로를 통해 전력을 상기 급전시스템의 부하로 공급하는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 전력 운영 스케쥴은
    상기 급전시스템으로부터 공급된 전력으로 운행하는 철도차량 배차 및 주행 정보에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 전력 운영 스케쥴은
    상기 연료전지 구동차량의 전압보상 위치, 전압보상 시간 및 전압보상 용량 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전압강하 보상 장치.
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